Légkör: a Földet körülvevő gázok, szilárd és cseppfolyós részecskék keveréke - N és O a legnagyobb koncentrációban A légkör kialakulása, felépítése 3.7 LECKE Égitest Átmérő km Átlagos naptávolság 10 6 km Átlagos felszíni hőmérséklet o C Fontosabb légköri összetevők Nap 1392000-5800 - Merkúr 4480 58 260 - Vénusz 12112 108 480 CO 2 Föld 12740 150 15 N 2, O 2 Mars 6800 228-60 CO 2 Jupiter 143000 778-110 H 2, He Szaturnusz 121000 1427-190 H 2, He Uránusz 51800 2869-215 H 2, CH 4 Neptunusz 49000 4498-225 H 2, CH 4 Plútó 3100 5900-235 CH 4,? Földi légkör kialakulása - Földi őslégkör döntően H és He -ból állt, kismértékben CH 4, NH 3-4,6 milliárd éve (a Föld kialakulása) meteorok, üstökösök, bolygókezdemények becsapódása -> ezek jelentős mennyiségű gázokat szállítottak magukkal fagyott állapotban (nagyobb becsapódás esetén a bolygó belsejébe is kerülhetett bizonyos mennyiségű gáz) - ütközés -> hőfelszabadulás -> ezen gázok elillanása és légkörbe kerülése - vulkáni tevékenység révén a Föld belsejében maradt gázok fokozatosan a felszínre jutottak másodlagos légkör kialakulása: kőzetbolygók közül legerősebb gravitációs erőtérrel a Föld rendelkezik -> segít a légkör megtartásában Naptól való ideális távolság -> nem túl meleg légkör -> nehezebb molekuláknak csak kis hányada tud elszökni a világűrbe Föld mágneses tere -> segít megakadályozni, hogy a napszél elsodorja a molekulákat a légkör felső részéből! De legkisebb molekulasúlyú gázok (hidrogén, hélium) ezen hatások mellett is bolygóközi térbe szöknek - vízgőz, CO 2, kevés N 2 Légkör összetétele több százmillió év alatt a légkör fokozatosan lehűlt vízgőz kondenzációja felhőképződés folyók, tavak, óceánok kialakulása légköri CO 2 nagy részét elnyelték az óceánok feldúsult a nitrogén légköri oxigén koncentrációja fokozatosan növekedett 2-3 mrd évvel ezelőtt már elegendő oxigén volt ahhoz, hogy primitív növények létrejöhessenek a napjainkban megfigyelhető koncentráció-szint elérése kb. néhány 100millió évvel ezelőttre tehető a légkör 5,3 x 10 15 t anyagot tartalmaz légkör anyaga fokozatosan megy át a bolygóközi térbe a Föld légköre a különböző gázok és részecskék tömegének azon összessége, melyet bolygónk saját tengelye körüli forgása, vagy tágabb értelemben a Nap körüli keringése során magával visz levegő össztömegének fele 5,5 km-es szint alatt, 99%-a a 30 km-es szint alatt helyezkedik el 1
fő alkotórészei: - nitrogén (78,084 térfogat %) - oxigén (20,946 térfogat %) - argon (0,934 %) - egyéb nemesgázok a fő alkotórészek koncentrációja nem változik (kb. 80 km magasságig) állandó gázok további gázok változónak tekinthetőek - koncentrációval és tartózkodási idővel jellemezzük Koncentráció (ppm) Tartózkodási idő (év) CO 2 380 20-150 CH 4 1,77 10 H 2 0,50 2 N 2 O 0,32 150 Változó gázok a légkörben ppm: megmutatja, hogy a térfogatrészben egymillió molekulából hány darab pl. a CO 2 molekula tartózkodási idő: megmutatja, hogy egy molekula átlagosan mennyi időt tölt a légkörben (állandó gázoknál ez ezer években mérhető) a légkörben számottevő mennyiségű, különféle kémiai összetételű anyag található szilárd, vagy folyékony állapotban, kisméretű részecskék formájában ezek a részecskék a gravitáció hatására a levegőhöz képest lefelé süllyednek, de minél kisebb a méretük, annál kisebb a süllyedés sebessége, a levegő mozgásai pedig könnyen újra a magasba emelik őket a levegőben eloszolva lebegő apró szilárd részecskék vagy folyadékcseppecskék a levegővel együtt alkotják az ún. légköri aeroszolt időszak elején 290 ppm körüli konc. növekedés antropogén hatásnak köszönhető - fosszilis tüzelőanyagok - erdőirtás további növekedés esetén a jóslatok 600 ppm körüli értéket jeleznek 100 év múlva Légköri CO 2 mennyiségének változása 1900-tól napjainkig Koncentráció (ppm) Tartózkodási idő (év) vízgőz (0,4-400) x 10 2 10 O 3 (0-5) x 10-2 10 NO 2 (0-3) x 10-2 3 CO (1-20) x 10-2 30 NH 3 (0-2) x 10-2 5 SO 2 (0-2) x 10-2 2 H 2 S (0-3) x 10-2 2 Erősen változó gázok ózon kis mennyiségben, a káros ultraibolya sugárzást elnyeli. Felsőbb légrétegekben folyamatosan nő a koncentrációja, majd 25 km-es magasságtól ismét csökken 70 km felett elenyészően kevés mennyiségben felszín közelében káros az élő szervezetekre bizonyos időjárási helyzetekben megnövekedhet a koncentráció LAtípusú Légkör vertikális szerkezete légköri gázok aránya szempontjából két fő réteg: - homoszféra: kb. 80 km-es magasságig terjed, a gázok egymáshoz viszonyított aránya állandó, melyet a turbulens mozgások biztosítanak - heteroszféra: lamináris áramlás, a légkör összetétele a molekula, ill. atomsúly szerint alakul - molekuláris oxigén - kb. 200 km-es magasság felett atomos oxigén - 1000km felett hélium - 2500km felett hidrogén alkotja már a rendkívül ritka légkört 2
A hőmérséklet változása a magassággal a légkör sűrűsége és nyomása a földfelszíntől távolodva csökken hőmérséklet esetén a felszíntől távolodva csökkenés 100 m-ként 0,65 o C troposzféra (8-18 km) közepes szélességeken kb. 12 km magasságban változatlan izotermia ez a zóna a tropopauza ezt követi a sztratoszféra, hőmérséklet függőleges irányú növekedése nagy ózonkoncentráció, kb. 50 km-ig tart (-2 o C) újabb izoterm réteg, sztratopauza a pozitív hőmérsékleti gradiens miatt konvektív áramlás nincs, de erőteljesek a horizontális áramlások (turbulencia) mezoszféra hőmérséklet vertikális csökkenése a légkör rendkívül kis sűrűségű, az ózon mennyisége is elenyésző energiabevétel a sztratoszféra felől kb. 85 km magasan újabb izotermia mezopauza (-90 o C) éjszakai világító felhők keveredés révén: hő- (energia), vízgőz-, nyomanyag-szállítás; légkör-felszín kölcsönhatások (kibocsátás, elnyelés, ülepedés); kondenzáció, felhő- és csapadékképződés; teljes vízkörforgalom, nyomanyagok kimosása; aeroszol-részecskék képződése (nagyrészt); időjárás kialakulása (ciklonok, frontok kialakulása) termoszféra: 80-90 km-től 500-1000 km-ig a naptevékenységtől függően, hőmérséklet nő légkör rendkívül ritka, így az elnyelt csekély energia nagyon gyors hőmérséklet emelkedést okoz 300 km-es magasságban már kb. 700 o C, aktív naptevékenység esetén ez akár 1700 o C is lehet Aurora Borealis + Nemzetközi Űrállomás A légkör hőmérséklet szerinti vertikális rétegződése exoszféra: termoszféra fölött 1000-190 ezer km-ig (definíciótól függően) az atomok a Föld gravitációs erejét legyőzve a világűrbe távoznak műholdak légszennyező anyag: minden olyan anyag, mely olyan mértékben jut a levegőbe, hogy az embert és környezetét károsítja vagy anyagi kárt okoz Légszennyező anyagok 3.8 LECKE - természetes: pl. vulkán, erdőtűz, szélvihar - antropogén: szállítás, energiatermelés, ipar, stb. legjelentősebb a fosszilis energiahordozók égetése legfontosabb antropogén szennyezők: - kén-oxidok - nitrogén-oxidok - szén-dioxid, szén-monoxid - ózon - szálló por - PAH 3
Legfontosabb légszennyezők - SO 2 legnagyobb mennyiségben bocsájtják ki ma is kb. 100 Mt/év A légkör legfontosabb gáz halmazállapotú szennyezői 1990-es évek környékén általában az iparosodott területek voltak a legnagyobb kibocsátók - Sp.o. észak-atlanti partvidéke - Belgium és É-Fro. iparterületei - É-Olo. - Mo. ipari tengelye - Ukrajna Donyec-medence iparvidéke - Románia és Bulgária 1995 körül javult a helyzet, viszont új szennyező - Atlanti-óceán La Manche Északi-tenger útvonal, mely a tengeri dízelüzemű közlekedésből származó - D-Eu. aktív vulkanizmusának kén emissziója 22 Mo.-on a Mátrai Hőerőmű volt az egyik legnagyobb kibocsátó, de 2000 körül felszerelt új kéntelenítő berendezés javított valamit a helyzeten meghatározó a szennyező tekintetében az évszak és a meteorológiai helyzet - skandináv tavak savasodása következtében fellépő ökológia károk, melynél kimutatták, hogy az angol és német iparvidékek szennyező anyagai a felelősek - épületek tartóssága szempontjából káros építőipari kötőanyagokat pusztítja fitomassza energetikai célú elégetése során is földgázzal azonos nagyságrendű szennyezés Legfontosabb légszennyezők NO x 23 Jövőkép: energiatermelés a legfőbb meghatározó eleme a kénkibocsátásnak (60%) ipar (22%), háztartás (9%), közlekedés (5%) 177 Mt/év NO x kerül a Föld légkörébe. Forrásai: - égési folyamatok (közlekedés, háztartási és ipari tüzelőberendezések) - vegyipari - természetes (biomassza, ásványi trágyák, fotokémiai reakciók) sajnos több országnak szüksége van a gyenge minőségű, nagy kéntartalmú szenekből és/vagy olajszármazékokból (pl. pakura) nyerhető, viszonylag olcsó energiára hőerőművekben a kéntelenítést meg kell oldani! KSH adatai alapján 4
Legfontosabb légszennyezők - CO Legfontosabb légszennyezők - CO 2 összes kibocsátás 80%-a természetes forrásokból legjelentősebb üvegházhatású gáz, hosszú a tartózkodási ideje a légkörben csökkenés hosszú idő után jelenhet meg fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből (hőerőművek, lakossági- és ipari fűtés, közlekedés, erdőégetés erdőhiány miatti lekötés csökkenés, stb.) CO kibocsátása Magyarországon Freonok és halonok freonok (fluor-klór-szénhidrogének): hosszú élettartamú anyagok kémiai- és hőhatásnak ellenállnak hűtőközegként, vivőanyagként halonok (halogénezett szénhidrogének): C, F, Cl, Br atomokból állnak magas kémiai és hőstabilitás stabilitásuk következtében feljutnak magasabb légrétegekbe - ózonlyuk Legfontosabb légszennyezők CH 4 mennyisége az elmúlt 200 év alatt megduplázódott természetes úton bomlásból, antropogén megjelenési forrásai rizstermelés, hulladékok bomlása, bányászat, energiaipar, haszonállatok bélgáza, stb. Magyarországon: üzemanyagok, hulladéklerakók, szennyvíztisztítók, mezőgazdaság, stb. kibocsátásunk csökken, azonban a légköri össz-koncentráció nőtt Policiklikus aromás szénhidrogének - PAH főleg a gépkocsik kipufogógázában (mintegy 30 féle PAH vegyület) Illékony szerves vegyületek VOC (Volatile Organic Compounds) Felszínközeli ózon O 3 levegőben előforduló szennyező szénhidrogén származékok (kivétel metán) napsugárzás hatására N-oxidokkal reakcióba lépve fotokémiai füstköd forrás lehet természetes, de főként antropogén eredetű fotokémiai szmog kialakulása napfény + közlekedési eredetű légszennyezők - NO 2 abszorbeálja az UV sugarakat NO és O atom, majd ezekből O 3 - tüzelő- és üzemanyagok, oldószerek párolgása - kipufogó gázokból az üzemanyag tökéletlen égésekor - üzemanyagok elfolyása vagy tankokból való párolgása 5
31 Szilárd légszennyező - Porok eredete 32 Szilárd légszennyezők - Porok eredete Mesterséges Természetes Mesterséges Természetes szénfeldolgozás bányászat Kozmikus eredetű 14,3 Mt/év finom por <5µm részecskékből kondenzációs mag Talaj erózió Földi eredetű Biológiai energia ipar fém kohászat közlekedés textil ipar Vulkáni tevékenység építőanyag ipar fafeldolgozás Erdőtüzek Virágporok mikrobák Bomlástermék üveg ipar gázok kémiai reakciójából mezőgazdaság A részecskék mérettartományai Szilárd légszennyezők Korom földgáz, olaj-tüzelésnél kiválás túlnyomórészt grafitkristály jelentős fényelnyeléssel rendelkezik, ezért melegedést okoz nagy sáv alkotja a kontinens törzsét: Angliától a Volgáig, észak-déli irányban pedig a Holland-Német-Lengyel síkságtól az Appennini- és a Balkán-félsziget gyökeréig terjed ki aeroszol lebegő por, aeroszeszton ülepedő por, aeroplankton levegőben lebegő mikroszkopikus élőlények WHO 108 ország több mint 4300 városának levegőszennyezettségét vizsgálta hagyományos tűzhelyek túl engedékeny kibocsátási normák alacsony és közepes jövedelmű országokra esik a halálesetek 90%- a városok lakosságának növekedése tovább ront a helyzeten jó példa is van India, Mexico tiszta energia használatának növekedése, járművek kibocsátási határértékének szigorítása Légszennyező források és ellenük való védekezési lehetőségek 3.9 LECKE 6
37 Légszennyező források 38 helyhez kötött légszennyező pontforrás: engedélyköteles, meghatározott időre adják ki, minimum 5 évente felül kell vizsgálni, sűrűbben is, ha szükséges. helyhez kötött diffúz légszennyező forrás: kibocsátó felület van, pl. meddőhányó, hulladéklerakó, anyagtárolás, stb. Engedélyköteles, meghatározott időre adják ki, minimum 5 évente felül kell vizsgálni, sűrűbben is, ha szükséges. mozgó légszennyező forrás: csak akkor helyezhetők forgalomba és üzemeltethetők, ha betartják a levegővédelmi követelményeket (pl. közúti, vasúti, vízi vagy légi járművek) vonalforrások: nyomvonalas létesítmények (vasút, közút) vagy azok egy része, ahol az elhaladó járművek jellemzői határozzák meg az egységnyi szakaszból származó légszennyezőanyag kibocsátást. Ha túllépés van, akkor akár forgalomszervezési vagy egyéb korlátozó intézkedéseket is bevezethetnek bűzzel járó tevékenységek: az elérhető legjobb technika alkalmazásával kell elérni azt, hogy a lakosságot zavaró bűz kerüljön a levegőbe. A határértéket szagegység/m 3 -ben írja elő a környezetvédelmi felügyelőség a közegészségügy állásfoglalása alapján. Szagegység szagérzetet vált ki a szagmérés során az észlelők 50%-ában (szaganyag mennyiség 1 m 3 gázban) Lokális, település léptékű légszennyeződés Légszennyezők leválasztása füstköd: egyes légszennyező anyagok huzamosabb ideig fennálló, jogszabályokban meghatározott légszennyezettségi határértéket túllépő koncentrációját fizikai eljárások A gáztisztítás módszerei biológiai eljárások kémiai eljárások kialakulásához szükséges meteorológiai, térgeometriai (beépítettség, házak nagysága és elhelyezkedése) és domborzati körülmények megfelelő jelenléte - redukáló Londoni-típusú szmog (tél): kialakulásának alapja a SO 2, CO és korom - oxidáló Los Angeles típusú szmog (nyár): közlekedés során felszabaduló NO x -k és szénhidrogének porok leválasztása durva porok >10µm ülepítő kamrák irányváltásos leválasztók ciklonok gázok leválasztása finom porok <10µm nedves leválasztók mosó tornyok ventúri mosók elektro-filterek: száraz és nedves szűrők Ellenük való védekezés száraz eljárás: fizikai tulajdonságok alapján választanak le, ha a szennyezőanyag értékes, a leválasztás után újra hasznosítható. Feltétele, hogy a levegőből gőzök ne kondenzálódjanak Irányváltásos porleválasztók nedves eljárás: előnye, hogy gázok és porok egyaránt eltávolíthatóak. Hátránya a nagyobb energiaigény, korrózióveszély és a keletkezett mosófolyadék további kezelésének fontossága Szennyező anyagok leválasztási eljárásai gravitáción alapuló porleválasztók: megfelelő sebességgel áramló gázból a nagyobb tömegű szilárd részecskék kihullanak hatékonyság növelés az áramlás irányának változtatásaival érhető el szűréssel történő porleválasztás: porózus szűrő réteg, melyek szövetek, szemcsés vagy rostos anyagok lehetnek 7
A ciklon felépítése és a benne áramló gáz útja centrifugális erő segítségével, mozgó alkatrészek felhasználása nélkül, a hengerben keringetett gázból kiválasztja a szilárd szennyezőket több együttesen multiciklont alkot fő részei: gázbevezető csonk hengeres rész kúpos rész gázkivezető cső (merülő cső) porkivezető nyílás portartály a merülő cső átmérőjével azonos méretű képzeletbeli henger az örvényhenger, melynek a felületén 50%-os valószínűséggel válnak ki az úgynevezett határszemcsék az 1 µm-nél kisebb részecskék leválasztására a nedves leválasztók közül a Venturi mosók a legalkalmasabbak 3 szakasz: - összeszűkülő szakaszban gáz áramlása felgyorsul - torok szakaszban nagy sebességgel összekeveredik a mosófolyadékkal Permetező mosótorony Töltetes tornyok Venturi-mosó - táguló szakaszban az áramlás lelassul és elválik a szennyeződés 8